并行和并發的區別

1. 并發(concurrency)：在操作系統中，是指一個時間段中有幾個程序都處于已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機上運行。其中兩種并發關系分別是同步和互斥。（并發是指同一時刻只能有一條指令執行，但多個進程指令被快速輪換執行，使得在宏觀上有多個進程被同時執行的效果--宏觀上并行，針對單核處理器）

• 互斥：進程間相互排斥的使用臨界資源的現象，就叫互斥。
• 同步(synchronous)：進程之間的關系不是相互排斥臨界資源的關系，而是相互依賴的關系。進一步的說明：就是前一個進程的輸出作為后一個進程的輸入，當第一個進程沒有輸出時第二個進程必須等待。具有同步關系的一組并發進程相互發送的信息稱為消息或事件。（彼此有依賴關系的調用不應該同時發生，而同步就是阻止那些“同時發生”的事情）
• 其中并發又有偽并發和真并發，偽并發是指單核處理器的并發，真并發是指多核處理器的并發。

2.并行(parallelism)：在單處理器中多道程序設計系統中，進程被交替執行，表現出一種并發的外部特種；在多處理器系統中，進程不僅可以交替執行，而且可以重疊執行。在多處理器上的程序才可實現并行處理。從而可知，并行是針對多處理器而言的。并行是同時發生的多個并發事件，具有并發的含義，但并發不一定并行，也亦是說并發事件之間不一定要同一時刻發生。（同一時刻，有多條指令在多個處理器上同時執行--針對多核處理器）

同步和異步的區別

• 同步(synchronous)：進程之間的關系不是相互排斥臨界資源的關系，而是相互依賴的關系。進一步的說明：就是前一個進程的輸出作為后一個進程的輸入，當第一個進程沒有輸出時第二個進程必須等待。具有同步關系的一組并發進程相互發送的信息稱為消息或事件。
• 異步(asynchronous)：異步和同步是相對的，同步就是順序執行，執行完一個再執行下一個，需要等待、協調運行。異步就是彼此獨立,在等待某事件的過程中繼續做自己的事，不需要等待這一事件完成后再工作。線程就是實現異步的一個方式。異步是讓調用方法的主線程不需要同步等待另一線程的完成，從而可以讓主線程干其它的事情。

線程概念

什么是線程

• LWP：light weight process 輕量級的進程，本質仍是進程(在Linux環境下)
• 進程：獨立地址空間，擁有PCB
• 線程：也有PCB，但沒有獨立的地址空間(共享)
• 區別：在于是否共享地址空間。 獨居(進程)；合租(線程)。
• Linux下： 線程：最小的執行單位，調度的基本單位。
• 進程：最小分配資源單位，可看成是只有一個線程的進程。

Linux內核線程實現原理

類Unix系統中，早期是沒有“線程”概念的，80年代才引入，借助進程機制實現出了線程的概念。因此在這類系統中，進程和線程關系密切。

• 輕量級進程(light-weight process)，也有PCB，創建線程使用的底層函數和進程一樣，都是clone。
• 從內核里看進程和線程是一樣的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向內存資源的三級頁表是相同的。
• 進程可以蛻變成線程
• 線程可看做寄存器和棧的集合
• 在linux下，線程最是小的執行單位；進程是最小的分配資源單位
• 察看LWP號：ps?–Lf pid 查看指定線程的lwp號。

三級映射：進程PCB --> 頁目錄(可看成數組，首地址位于PCB中) --> 頁表 --> 物理頁面 --> 內存單元--參考：《Linux內核源代碼情景分析》 ----毛德操

• 對于進程來說，相同的地址(同一個虛擬地址)在不同的進程中，反復使用而不沖突。原因是他們雖虛擬址一樣，但，頁目錄、頁表、物理頁面各不相同。相同的虛擬址，映射到不同的物理頁面內存單元，最終訪問不同的物理頁面。
• 但！線程不同！兩個線程具有各自獨立的PCB，但共享同一個頁目錄，也就共享同一個頁表和物理頁面。所以兩個PCB共享一個地址空間。
• 實際上，無論是創建進程的fork，還是創建線程的pthread_create，底層實現都是調用同一個內核函數clone。
• 如果復制對方的地址空間，那么就產出一個“進程”；如果共享對方的地址空間，就產生一個“線程”。
• 因此：Linux內核是不區分進程和線程的。只在用戶層面上進行區分。所以，線程所有操作函數 pthread_* 是庫函數，而非系統調用。

線程共享資源

• 1.文件描述符表
• 2.每種信號的處理方式
• 3.當前工作目錄
• 4.用戶ID和組ID
• 5.內存地址空間 (.text/.data/.bss/heap/共享庫)

線程非共享資源

• 1.線程id
• 2.處理器現場和棧指針(內核棧)
• 3.獨立的棧空間(用戶空間棧)
• 4.errno變量
• 5.信號屏蔽字
• 6.調度優先級

線程優、缺點

• 優點： 1. 提高程序并發性 2. 開銷小 3. 數據通信、共享數據方便
• 缺點： 1. 庫函數，不穩定 2. 調試、編寫困難、gdb不支持 3. 對信號支持不好
• 優點相對突出，缺點均不是硬傷。Linux下由于實現方法導致進程、線程差別不是很大。

線程控制原語

pthread_self函數? 獲取線程ID。其作用對應進程中 getpid() 函數。

• pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失敗：無！
• 線程ID：pthread_t類型，本質：在Linux下為無符號整數(%lu)，其他系統中可能是結構體實現
• 線程ID是進程內部，識別標志。(兩個進程間，線程ID允許相同)
• 注意：不應使用全局變量 pthread_t tid，在子線程中通過pthread_create傳出參數來獲取線程ID，而應使用pthread_self。

pthread_create函數? 創建一個新線程。 其作用，對應進程中fork() 函數。

• int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
• 返回值：成功：0； 失敗：錯誤號 -----Linux環境下，所有線程特點，失敗均直接返回錯誤號。

參數：

• pthread_t：當前Linux中可理解為：typedef ?unsigned long int ?pthread_t;
• 參數1：傳出參數，保存系統為我們分配好的線程ID
• 參數2：通常傳NULL，表示使用線程默認屬性。若想使用具體屬性也可以修改該參數。
• 參數3：函數指針，指向線程主函數(線程體)，該函數運行結束，則線程結束。
• 參數4：線程主函數執行期間所使用的參數，如要傳多個參數, 可以用結構封裝。

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>void *fun(void *arg) {printf("I'm thread, Thread ID = %lu\n", pthread_self());return NULL; }int main(void) {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, fun, NULL);sleep(1); // 在多線程環境中，父線程終止，全部子線程被迫終止printf("I am main, my pid = %d\n", getpid());return 0; }

運行結果

• 在一個線程中調用pthread_create()創建新的線程后，當前線程從pthread_create()返回繼續往下執行，而新的線程所執行的代碼由我們傳給pthread_create的函數指針start_routine決定。start_routine函數接收一個參數，是通過pthread_create的arg參數傳遞給它的，該參數的類型為void *，這個指針按什么類型解釋由調用者自己定義。start_routine的返回值類型也是void *，這個指針的含義同樣由調用者自己定義。start_routine返回時，這個線程就退出了，其它線程可以調用pthread_join得到start_routine的返回值，類似于父進程調用wait(2)得到子進程的退出狀態，稍后詳細介紹pthread_join。
• pthread_create成功返回后，新創建的線程的id被填寫到thread參數所指向的內存單元。我們知道進程id的類型是pid_t，每個進程的id在整個系統中是唯一的，調用getpid(2)可以獲得當前進程的id，是一個正整數值。線程id的類型是thread_t，它只在當前進程中保證是唯一的，在不同的系統中thread_t這個類型有不同的實現，它可能是一個整數值，也可能是一個結構體，也可能是一個地址，所以不能簡單地當成整數用printf打印，調用pthread_self(3)可以獲得當前線程的id。

練習：循環創建多個線程，每個線程打印自己是第幾個被創建的線程。(類似于進程循環創建子進程)

#include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h>void *tfn(void *arg) {int i;i = (int)arg;//i = *((int *)arg);sleep(i); //通過i來區別每個線程printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu\n", i+1, pthread_self());return NULL; }int main(int argc, char *argv[]) {int n, i;pthread_t tid;if (argc == 2)n = atoi(argv[1]);for (i = 0; i < n; i++) {pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); //將i轉換為指針，在tfn中再強轉回整形。}sleep(n);printf("I am main, and I am not a process, I'm a thread!\n" "main_thread_ID = %lu\n", pthread_self());return 0; }

運行結果

線程與共享? 線程間共享全局變量！

• 【牢記】：線程默認共享數據段、代碼段等地址空間，常用的是全局變量。而進程不共享全局變量，只能借助mmap。

設計程序，驗證線程之間共享全局數據。

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>int var = 100;void *tfn(void *arg) {var = 200;printf("thread\n");return NULL; }int main(void) {printf("At first var = %d\n", var);pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);sleep(1);printf("after pthread_create, var = %d\n", var);return 0; }

運行結果

pthread_exit函數? 將單個線程退出

• void pthread_exit(void *retval); 參數：retval表示線程退出狀態，通常傳NULL

#include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h>void *tfn(void *arg) {int i;i = (int)arg; //強轉。if (i == 2)pthread_exit(NULL);sleep(i); //通過i來區別每個線程printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu\n", i+1, pthread_self());return NULL; }int main(int argc, char *argv[]) {int n , i;pthread_t tid;if (argc == 2)n = atoi(argv[1]);for (i = 0; i < n; i++){pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i); //將i轉換為指針，在tfn中再強轉回整形。}sleep(n);printf("I am main, I'm a thread!\n" "main_thread_ID = %lu\n", pthread_self());return 0; }

運行結果

思考：使用exit將指定線程退出，可以嗎？?結論：線程中，禁止使用exit函數，會導致進程內所有線程全部退出。

• 在不添加sleep控制輸出順序的情況下。pthread_create在循環中，幾乎瞬間創建5個線程，但只有第1個線程有機會輸出（或者第2個也有，也可能沒有，取決于內核調度）如果第3個線程執行了exit，將整個進程退出了，所以全部線程退出了。
• 所以，多線程環境中，應盡量少用，或者不使用exit函數，取而代之使用pthread_exit函數，將單個線程退出。任何線程里exit導致進程退出，其他線程未工作結束，主控線程退出時不能return或exit。
• 另注意，pthread_exit或者return返回的指針所指向的內存單元必須是全局的或者是用malloc分配的，不能在線程函數的棧上分配，因為當其它線程得到這個返回指針時線程函數已經退出了。

pthread_join函數? 阻塞等待線程退出，獲取線程退出狀態 其作用，對應進程中 waitpid() 函數。

• int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失敗：錯誤號
• 參數：thread：線程ID （【注意】：不是指針）；retval：存儲線程結束狀態。

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h>typedef struct {int a;int b; } exit_t;void *tfn(void *arg) {exit_t *ret;ret = malloc(sizeof(exit_t)); // malloc分配ret->a = 100;ret->b = 300;sleep(3);//pthread_exit((void *)ret);return (void *)ret; }int main(void) {pthread_t tid;exit_t *retval;pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);/*調用pthread_join可以獲取線程的退出狀態*/pthread_join(tid, (void **)&retval); //wait(&status);printf("a = %d, b = %d \n", retval->a, retval->b);return 0; }

對比記憶：

進程中：main返回值、exit參數-->int；等待子進程結束 wait 函數參數-->int *

線程中：線程主函數返回值、pthread_exit-->void *；等待線程結束 pthread_join 函數參數-->void **

參數 retval 非空用法

調用該函數的線程將掛起等待，直到id為thread的線程終止。thread線程以不同的方法終止，通過pthread_join得到的終止狀態是不同的，總結如下：

如果thread線程通過return返回，retval所指向的單元里存放的是thread線程函數的返回值。

如果thread線程被別的線程調用pthread_cancel異常終止掉，retval所指向的單元里存放的是常數PTHREAD_CANCELED。

如果thread線程是自己調用pthread_exit終止的，retval所指向的單元存放的是傳給pthread_exit的參數。

如果對thread線程的終止狀態不感興趣，可以傳NULL給retval參數。

練習：使用pthread_join函數將循環創建的多個子線程回收。

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h>int var = 100;void *tfn(void *arg) {int i;i = (int)arg;sleep(i);if (i == 1) {var = 333;printf("var = %d\n", var);return (void *)var;}else if (i == 3) {var = 777;printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);pthread_exit((void *)var);} else {printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu\n var = %d\n", i+1, pthread_self(), var);pthread_exit((void *)var);}return NULL; }int main(void) {pthread_t tid[5];int i;int *ret[5]; for (i = 0; i < 5; i++)pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);for (i = 0; i < 5; i++) {pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);printf("-------%d 's ret = %d\n", i, (int)ret[i]);}printf("I'm main pthread tid = %lu\t var = %d\n", pthread_self(), var);sleep(i);return 0; }

運行結果

pthread_cancel函數? 殺死(取消)線程 其作用，對應進程中 kill() 函數。

• int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失敗：錯誤號

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h>void *tfn1(void *arg) {printf("thread 1 returning\n");return (void *)111; }void *tfn2(void *arg) {printf("thread 2 exiting\n");pthread_exit((void *)222); }void *tfn3(void *arg) {while (1) {printf("thread 3: I'm going to die in 3 seconds ...\n");sleep(1);pthread_testcancel(); //自己添加取消點*/}return (void *)666; }int main(void) {pthread_t tid;void *tret = NULL;pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);pthread_join(tid, &tret);printf("thread 1 exit code = %d\n\n", (int)tret);pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL); pthread_join(tid, &tret);printf("thread 2 exit code = %d\n\n", (int)tret);pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);sleep(3);pthread_cancel(tid);pthread_join(tid, &tret);printf("thread 3 exit code = %d\n", (int)tret);return 0; }

運行結果

• 線程的取消并不是實時的，而有一定的延時。需要等待線程到達某個取消點(檢查點)。
• 類似于玩游戲存檔，必須到達指定的場所(存檔點，如：客棧、倉庫、城里等)才能存儲進度。殺死線程也不是立刻就能完成，必須要到達取消點。
• 取消點：是線程檢查是否被取消，并按請求進行動作的一個位置。通常是一些系統調用creat，open，pause，close，read，write.....?執行命令man?7 pthreads可以查看具備這些取消點的系統調用列表。也可參閱 APUE.12.7 取消選項小節。
• 可粗略認為一個系統調用(進入內核)即為一個取消點。如線程中沒有取消點，可以通過調用pthreestcancel函數自行設置一個取消點。
• 被取消的線程， 退出值定義在Linux的pthread庫中。常數PTHREAD_CANCELED的值是-1。可在頭文件pthread.h中找到它的定義：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)。因此當我們對一個已經被取消的線程使用pthread_join回收時，得到的返回值為-1。

pthread_detach函數? 實現線程分離

• int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失敗：錯誤號
• 線程分離狀態：指定該狀態，線程主動與主控線程斷開關系。線程結束后，其退出狀態不由其他線程獲取，而直接自己自動釋放。網絡、多線程服務器常用。
• 在線程被分離后，不能使用pthread_join等待它的終止狀態。
• 進程若有該機制，將不會產生僵尸進程。僵尸進程的產生主要由于進程死后，大部分資源被釋放，一點殘留資源仍存于系統中，導致內核認為該進程仍存在。
• 也可使用 pthread_create函數參2(線程屬性)來設置線程分離。

使用pthread_detach函數實現線程分離?

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <pthread.h>void *tfn(void *arg) {int n = 3;while (n--) {printf("thread count %d\n", n);sleep(1); }return (void *)1;//pthread_exit((void *)1); }int main(void) {pthread_t tid;void *tret;int err;#if 1pthread_attr_t attr; /*通過線程屬性來設置游離態*/pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);#elsepthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);pthread_detach(tid); //讓線程分離 ----自動退出,無系統殘留資源#endifwhile (1) {err = pthread_join(tid, &tret);printf("thread exit code = %d\n", (int)tret);printf("-------------err= %d\n", err);if (err != 0)fprintf(stderr, "thread_join error: %s\n\n", strerror(err));elsefprintf(stderr, "thread exit code %d\n\n", (int)tret);sleep(1);}return 0; }

運行結果

• 一般情況下，線程終止后，其終止狀態一直保留到其它線程調用pthread_join獲取它的狀態為止。但是線程也可以被置為detach狀態，這樣的線程一旦終止就立刻回收它占用的所有資源，而不保留終止狀態。不能對一個已經處于detach狀態的線程調用pthread_join，這樣的調用將返回EINVAL錯誤。也就是說，如果已經對一個線程調用了pthread_detach就不能再調用pthread_join了。

終止線程方式

總結：終止某個線程而不終止整個進程，有三種方法：

從線程主函數return。這種方法對主控線程不適用，從main函數return相當于調用exit。

一個線程可以調用pthread_cancel終止同一進程中的另一個線程。

線程可以調用pthread_exit終止自己。

控制原語對比

進程? ? ? ? ? ? 線程

fork? ? ? ? ? ? ?pthread_create

exit? ? ? ? ? ? ?pthread_exit

wait? ? ? ? ? ? pthread_join

kill? ? ? ? ? ? ? pthread_cancel

getpid? ? ? ? pthread_self 命名空間

?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux线程详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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